UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM CIÊNCIAS APLICADAS A PRODUTOS PARA SAÚDE
LORENA LISITA INÁCIO TEODORO
INFLUÊNCIA DO ÁCIDO GLICÓLICO NA SÍNTESE
DE NANOPARTÍCULAS DE PRATA POR MÉTODO ALCOÓLICO
Anápolis GO
2022
LORENA LISITA INÁCIO TEODORO
INFLUÊNCIA DO ÁCIDO GLICÓLICO NA SÍNTESE
DE NANOPARTÍCULAS DE PRATA POR MÉTODO ALCOÓLICO
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Aplicadas a Produtos para Saúde da Universidade Estadual de Goiás para obtenção do Título de Mestre em Ciências Aplicadas a Produtos para Saúde.
Orientadora: Dra. Luciana Rebelo Guilherme
Anápolis GO 2022
Elaborada pelo Sistema de Geração Automática de Ficha Catalográfica da UEG com os dados fornecidos pelo(a) autor(a).
Nome completo: Lorena Lisita Inácio Teodoro E-mail: lorenaalisita@hotmail.com
Título:Influência do ácido glicólico na síntese de nanopartículas de prata por método alcoólico
( ) Tese ( X ) Dissertação
Curso/Programa: Ciências Aplicadas à Produtos para a Saúde Concorda com a liberação do documento [ X ] SIM [ ] NÃO
Anápolis, 11/10/2022
Local Data
_______________________ _______________________
Assinatura do autor
__________ ______________
Assinatura do orientador (a)
Programa de Pós-Graduação em Ciências Aplicadas a Produtos para Saúde da Universidade Estadual de Goiás
BANCA EXAMINADORA DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Aluno (a): Lorena Lisita Inácio Teodoro
Orientador (a): Dra. Luciana Rebelo Guilherme
Membros:
1. Dr. Luiz Fernando Gorup 2. Dr. Renato Rosseto
Suplentes:
3. Dr. Francisco Nunes de Souza Neto 4. Dr. Plínio Lázaro Faleiro Naves Data: 30/06/2022
SERVIÇO PÚBLICO ESTADUAL UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS
CÂMPUS ANÁPOLIS DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS HENRIQUE SANTILLO COORDENAÇÃO DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
CIÊNCIAS APLICADAS A PRODUTOS PARA SAÚDE
ATA DA SESSÃO DE DEFESA DE DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Nº 058 ATA DA REUNIÃO DA BANCA EXAMINADORA DA DEFESA DE DISSERTAÇÃO DE MESTRADO - No dia trinta do mês de junho de 2022, às 09 horas, reuniram-se os componentes da banca Examinadora: Profa. Dra. Luciana Rebelo Guilherme Orientadora, Prof. Dr. Luiz Fernando Gorup e Prof. Dr. Renato Rosseto, sob a presidência da primeira, e em sessão realizada por videoconferência. Procederam à avaliação da defesa de dissertação de Mestrado intitulada:
de autoria de Lorena Lisita Inácio Teodoro, discente do Programa de Pós-Graduação stricto sensu em Ciências Aplicadas a Produtos para Saúde (PPGCAPS) da Universidade Estadual de Goiás. A sessão foi aberta pela presidente da Banca Examinadora: Profa. Dra. Luciana Rebelo Guilherme que fez a apresentação formal dos membros da banca. A palavra a seguir foi concedida à autora da dissertação Lorena Lisita Inácio Teodoro que, em 38 minutos procedeu à apresentação do trabalho. Terminada a apresentação, cada membro da banca arguiu a examinada, tendo-se adotado o sistema de diálogo sequencial. Terminada a fase de arguição, procedeu-se à avaliação da defesa.
A dissertação foi aprovada por unanimidade, considerando-se integralmente cumprido este requisito para fins de obtenção do título de MESTRE EM CIÊNCIAS APLICADAS A
Estadual de Goiás. A conclusão do curso dar-se-á quando da entrega na secretaria do PPGCAPS, da versão definitiva da dissertação, com as devidas correções. Cumpridas as formalidades de pauta, às 11 horas e 21 minutos, a presidência da mesa encerrou esta sessão de defesa de dissertação de Mestrado e para constar eu, Profa. Dra. Luciana Rebelo Guilherme, presidente da banca, lavrei a presente Ata, que após lida e aprovada, será assinada pelos membros da Banca Examinadora em três vias de igual teor.
____________________________________
Prof. Dr. Luiz Fernando Gorup Membro externo UNIFAL
_________________________________________
Prof. Dr. Renato Rosseto Membro externo UEG
__________________________________
Profa. Dra. Luciana Rebelo Guilherme Presidente da Banca
Sumário
1 INTRODUÇÃO ... 3
2 OBJETIVOS ... 5
2.1 Objetivo Geral ... 5
2.2 Objetivos Específicos ... 5
3 METODOLOGIA ... 6
3.1 Síntese de Nanopartículas de Prata ... 6
3.2 Caracterizações ... 6
3.2.1 Espectroscopia na Região do Ultravioleta/Visível ... 6
3.2.2 Espectroscopia Vibracional de Absorção na Região do Infravermelho ... 6
3.2.3 Microscopia Eletrônica de Transmissão ... 7
3.2.4 Espalhamento Dinâmico de Luz (DLS) e Potencial Zeta ... 7
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 8
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 20
PUBLICAÇÕES ... 21
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 34
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Correlação de número de ondas (cm-1) com os modos vibracionais das amostras de AgNPs e seus precursores orgânicos. ... 13 Tabela 2: Valores do potencial zeta das AgNPs e AgNPs-Gli. ... 14 Tabela 3: Valores estatísticos encontrados pelas técnicas de MET e DLS. ... 17 Tabela 4: Valores de d-spacing calculados para as nanopartículas de prata sem e com ácido glicólico ... 19
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Representação esquemática da fórmula estrutural do ácido glicólico...4 Figura 2: Dispersões coloidais de prata. (A): AgNPs, (B): AgNps com 0,4 mL de GA (1:1); (C) AgNPs com 2,0 mL de GA (1:5); (D) AgNPs com 4,0 mL de GA (1:10) ...8 Figura 3: Espectro eletrônico de absorção na região do ultravioleta e visível (UV-Vis) das AgNPs... 10 Figura 4: Espectros de infravermelho de nanopartículas de prata (AgNPs), nanopartículas de prata com ácido glicólico (AgNPs-Gli) e de seus precursores ... 11 Figura 5: Microscopia eletrônica de transmissão (MET) de AgNPs e AgNPs-Gli (1:1); Histograma de AgNPs e AgNPs-Gli (1;1); Espalhamento dinâmico de luz (DLS) de AgNPs e Espalhamento dinâmico de luz (DLS) de AgNPs-Gli (1:1). ... 15 Figura 6: Microscopia eletrônica de transmissão (MET) de AgNPs-Gli (1:5) e AgNPs-Gli (1:10);
Histograma de AgNPs-Gli (1:5) e AgNPs-Gli (1:10); Espalhamento dinâmico de luz (DLS) de AgNPs-Gli (1:5) e de AgNPs-Gli (1:10)...16 Figura 7: Dados de difração JCPDS 0407-83 do elemento Ag (A). Difração de elétrons de área selecionada (SAED) das nanopartículas de prata (B). SAED de AgNPs-Gli (1:1) (C). SAED de AgNPs-Gli (1:5) (D). SAED de AgNPs-Gli (1:10) (E). ... 18
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AgNPs - Nanopartículas de prata
AHA - Alfa-hidroxiácidos
AgNPs-Gli - Nanopartículas de prata funcionalizadas com ácido glicólico AgNS - Nanoesferas de prata
AgND - Nanodiscos de prata
AgNT - Nanopartículas de prata triangulares ATR Reflectância Total Atenuada
CIM - Concentração inibitória mínima CBM - Concentração bactericida mínima DRX - Difração de raios X
DH - Diâmetro hidrodinâmico ID - Índice de dispersividade
EDL - Espalhamento dinâmico de Luz GA - Ácido glicólico
MET - Microscopia eletrônica de transmissão NPs Nanopartículas
PVP - Polivinilpirrolidona PZ - Potencial zeta
SAED - Difração de elétrons de área selecionada UV-Vis - Ultravioleta-Visível
1 Nanopartículas metálicas conquistaram significativo interesse científico devido as suas propriedades físico-químicas, como a alta condutividade e atividade catalítica, aprimoramento das propriedades ópticas e atividade biocida contra micro-organismos patogênicos. Em especial as nanopartículas de prata, apresentam potencial atividade contra bactérias, fungos e vírus. No presente estudo, o objetivo foi sintetizar e caracterizar nanopartículas de prata preparadas pelo método alcoólico. O método consiste na redução química da prata utilizando etanol com a adição de polivinilpirrolidona (PVP), sem e com a presença de ácido glicólico (GA), nas proporções 1:1;
1:5 e 1:10 (AgNO3/PVP:GA). O sistema reacional foi mantido sob refluxo e sob agitação constante por 4 h à 80°C. As amostras foram caracterizadas quanto às suas propriedades ópticas, estruturais, morfológicas e estimativa de tamanho. A confirmação da formação das nanopartículas de prata foi realizada utilizando a técnica de espectroscopia na região do UV-Vis. Observou-se a formação da banda plasmônica característica das AgNPs em torno de 420nm sem e com a presença do ácido glicólico, confirmando a formação de AgNPs. A identificação dos grupos funcionais presentes nas amostras foi avaliada pela técnica de espectroscopia vibracional de absorção na região do infravermelho (FTIR). As amostras de AgNPs por serem constituídas majoritariamente de etanol apresentaram os modos vibracionais característicos deste. As nanopartículas apresentaram cargas positivas e valores de potencial zeta de 16,8 ± 0,485 mV; 12,7 mV; 3,37 mV e 3,04 mV, para AgNPs e AgNPs-GA (1:1; 1:5 e 1:10), respectivamente. A microscopia eletrônica de transmissão (MET) e o espalhamento dinâmico de luz (DLS) indicaram que os materiais apresentaram dimensões nanométricas, formato quase esférico com diâmetro médio de 8,70nm, 7,7 nm, 8,6 nm e 11,5nm (MET); 10,1 ± 2,50nm, 140 ± 59,7nm, 188 ± 83,2nm e 247 ± 68,1nm (DLS), para as sínteses realizadas sem e com a presença de ácido glicólico (1:1; 1:5 e 1:10), respectivamente. Nos resultados obtidos por SAED, as AgNPs apresentaram estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC) característica da Ag em que os resultados corroboram com os dados de difração JCPDS 04- 0783. Conclui-se que a síntese das AgNPs apenas na presença de PVP, resultou em suspensões coloidais alcoólicas, de coloração amarela, consideradas estáveis. A medida que se adicionou o GA nas proporções citadas, foi observada possível redução da estabilidade coloidal, mudança de viscosidade e alargamento das bandas plasmônicas. Foi observado dimensões maiores e formatos diferentes de AgNPs a medida que se aumentou a concentração de GA.
Palavras-chave: nanotecnologia, prata, ácido glicólico, redução química.
2 Metal nanoparticles have gained significant scientific interest due to their physicochemical properties, such as high conductivity and catalytic activity, improved optical properties and biocidal activity against pathogenic microorganisms. In particular, silver nanoparticles have potential activity against bacteria, fungi and viruses. In the present study, the objective was to synthesize and characterize silver nanoparticles prepared by the alcoholic method. The method consists of the chemical reduction of silver using ethanol with the addition of polyvinylpyrrolidone (PVP), without and with the presence of glycolic acid (GA), in proportions 1:1; 1:5 and 1:10 (AgNO3/PVP:GA). The reaction system was kept under reflux and under constant stirring for 4 h at 80°C. The samples were characterized regarding their optical, structural, morphological properties and size estimation. Confirmation of the formation of silver nanoparticles was performed using the spectroscopy technique in the UV-Vis region. The formation of the characteristic plasmonic band of AgNPs was observed around 420nm without and with the presence of glycolic acid, thus confirming the formation of AgNPs. The identification of the functional groups present in the samples was evaluated by the technique of vibrational absorption spectroscopy in the infrared region (FTIR). The AgNPs samples, for being constituted mostly of ethanol, showed the characteristic vibrational modes of this. The nanoparticles showed positive charges and zeta potential values of 16.8 ± 0.485mV; 12.7mV; 3.37mV and 3.04mV, for AgNPs and AgNPs-GA (1:1; 1:5 and 1:10), respectively. Transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS) indicated that the materials presented nanometric dimensions, almost spherical shape with an average diameter of 8.70nm, 7.7nm, 8.6nm and 11.5nm (MET); 10.1 ± 2.50nm, 140
± 59.7nm, 188 ± 83.2nm and 247 ± 68.1nm (DLS), for syntheses performed without and with the presence of glycolic acid (1:1; 1:5 and 1:10), respectively. In the results obtained by SAED, the AgNPs presented a face-centered cubic crystal structure (CFC) characteristic of Ag, in which the results corroborate the crystallographic record JCPDS 04-0783. It is concluded that the synthesis of AgNPs only in the presence of PVP resulted in stable alcoholic colloidal suspensions. As GA was added in the aforementioned proportions, a decrease in colloidal stability and consequent aggregation of the particles was observed. Larger dimensions and different shapes of silver nanoparticles were observed as the GA concentration in the reactions increased. In the results obtained by SAED, the AgNPs showed a face-centered cubic crystal structure (CFC) characteristic of Ag, in which the results corroborate the diffraction data JCPDS 04-0783. It was concluded that the synthesis of AgNPs only in the presence of PVP resulted in alcoholic colloidal suspensions, yellow in color, considered stable. As GA was added in the aforementioned proportions, a possible reduction in colloidal stability, change in viscosity and widening of plamonic bands was observed.
Larger dimensions and different shapes of AgNPs were observed as the concentration of GA increased.
Keywords: nanotechnology, silver, glycolic acid, chemical reduction.
3
1 INTRODUÇÃO
A nanotecnologia é considerada revolucionária, cientifica e tecnologicamente, baseada em uma organização sistemática para a produção ou manipulação de materiais (FERREIRA; DO;
RANGEL, 2018). Diversos produtos que utilizam propriedades nanotecnológicas e em escala nanométrica são desenvolvidos, dentre eles componentes eletrônicos (KUMAR et al., 2020), equipamentos esportivos, tintas sem risco para a saúde e tecidos resistentes a manchas (JURAIRATTANAPOM et al., 2017).
Nanopartículas metálicas são um dos nanomateriais mais utilizados pois exibem importantes propriedades físico-químicas (IRAVANI et al., 2014), estabilidade química (FERREIRA; DO; RANGEL, 2018) e atividade microbiológicas (JURAIRATTANAPOM et al., 2017). Destaca-se a alta condutividade e atividade catalítica, aprimoramento das propriedades ópticas e mecânicas, e biocida contra micro-organismos patogênicos (GUERRERO et al., 2019).
A incorporação de nanopartículas metálicas de prata, em uma matriz polimérica, promove a formação de nanocompósitos e, portanto, uma combinação das propriedades desses componentes (polímero e nanopartículas), produz um material mais eficaz em todos estes aspectos (GORUP et al., 2017).
As propriedades bactericidas das nanopartículas de prata (AgNPs) atacam a parede celular de bactérias e formam espécies reativas de oxigênio no interior das células. Promovem maior superfície de contato com a parede celular bacteriana (BEDLOVICOVÁ; SALAYOVÁ, 2018), e proporcionam menores efeitos colaterais quando comparadas as dimensões não nanométricas da prata, pois requerem apenas uma pequena quantidade de sua concentração para alcançar o efeito bactericida (HUH; KWON, 2011).
Certas preparações de sínteses com nanopartículas de prata incluem adição de outras substâncias. Os alfa- são exemplos destas substâncias, que são reconhecidos como adjuvante em diversas terapias tópicas cutâneas, incluindo acne, fotodano actínico, melasma, distúrbios de hiperpigmentação, rosácea e outros (CASTILLO; KERI, 2018; GUERRERO et al., 2019).
4 A utilização do ácido glicólico na redução de íons Ag+ para obtenção de nanopartículas de prata, apresentou considerável atividade antimicrobiana contra cepas gram-positivas e também gram-negativas. As propriedades antimicrobianas de nanopartículas de prata com ácido glicólico (AgNPs-Gli) podem ser usadas de forma eficaz para o combate de patógenos resistentes a antibióticos sem provocar toxicidade celular (KUMAR et al., 2020). Já as propriedades físico- químicas e a influência deste na formação e estabilidade coloidal, necessitam ser melhor elucidadas. A representação da fórmula estrutural do ácido glicólico pode ser observada na Figura 1.
Figura 1: Representação esquemática da fórmula estrutural do ácido glicólico
O uso do alfa-hidroxiácido ácido glicólico na síntese de nanopartículas de prata, e seus efeitos na morfologia e tamanho das partículas, é pouco explorado e isso motivou este projeto de pesquisa. Neste trabalho o ácido glicólico foi empregado como agente redutor. Tendo em vista a necessidade de compreender os processos de formação e estabilização coloidal de nanopartículas de prata, esse trabalho propôs investigar a influência da presença de ácido glicólico na síntese destas nanopartículas.
5
2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo Geral
Sintetizar e caracterizar nanopartículas de prata obtidas via reações em meio alcoólico sem e com a presença do ácido glicólico em diferentes concentrações.
2.2 Objetivos Específicos
Sintetizar nanopartículas de prata (AgNPs) através de um método que consiste na redução dos íons Ag+ na solução de AgNO3, utilizando o etanol como solvente e agente redutor para a formação das nanopartículas de prata, o ácido glicólico como agente redutor e a polivinilpirrolidona como agente estabilizante;
Caracterizar as AgNPs obtidas por espectroscopia eletrônica de absorção na região do ultravioleta-visível (UV-Vis);
Caracterizar as AgNPs obtidas por espectroscopia vibracional de absorção na região do infravermelho (FTIR);
Determinar o tamanho e morfologia por microscopia eletrônica de transmissão (MET);
Caracterizar os compostos formados por difração de elétrons de área selecionada (SAED);
Determinar o diâmetro hidrodinâmico das AgNPs por espalhamento dinâmico de luz (DLS) e medir o potencial zeta (PZ).
6
3 METODOLOGIA
3.1 Síntese de Nanopartículas de Prata
A síntese das AgNPs foi realizada utilizando o método adaptado de redução alcoólica como proposto por Lee e Oh (2015). O método consiste na redução dos íons Ag+ na solução de nitrato de prata (AgNO3) em que o etanol atua como solvente e como agente redutor para a formação das partículas de prata e a polivinilpirrolidona (PVP) foi utilizada como agente estabilizante. O ácido glicólico (GA) atua como agente redutor nas sínteses de nanopartículas de prata.
O sal de AgNO3 (4.5 mmol, 99.9%, Sigma-Aldrich, Brasil) e o polímero PVP (4.5 mmol (número de mols referente à unidade monomérica do PVP), Mw 10,000, (C6H9NO)n, 99%, Vetec Química) foram preparados separadamente com a dissolução dos respectivos precursores em 50 mL de etanol anidro. Para avaliar a influência do GA (C2H4O3, 57%, fornecedor, Brasil) no processo sintético, o GA foi adicionado imediatamente ao meio reacional nas seguintes proporções 1:1; 1:5 e 1:10 (AgNO3/PVP:GA) por meio da adição de 0,4; 2 e 4 mL, respectivamente. O sistema foi mantido em refluxo e agitação magnética constante por 4 h a 80°C para todas as reações.
3.2 Caracterizações
As propriedades ópticas, estruturais, estabilidade química e morfológicas das AgNPs foram caracterizadas pelas seguintes técnicas: espectroscopia eletrônica de absorção na região do ultravioleta e visível (UV-Vis), espectroscopia vibracional de absorção na região do infravermelho (FTIR), espalhamento dinâmico de luz (DLS), microscopia eletrônica de transmissão (MET), potencial zeta e difração de elétrons de área selecionada (SAED).
3.2.1 Espectroscopia eletrônica de absorção na Região do Ultravioleta e Visível
Os espectros eletrônicos de absorção na região do ultravioleta e visível das amostras foram obtidos a partir de solução alcoólica em um espectrofotômetro Ultravioleta/Visível modelo SpectraMax Paradigm Multi-Mode Detection Platform. O experimento típico varreu a região de
7 comprimento de onda de 300 nm a 800 nm, utilizando-se cubetas de quartzo de 1,0 cm de comprimento e 1,0 cm de caminho ótico. Foi utilizado o etanol anidro como solução branco.
3.2.2 Espectroscopia Vibracional de Absorção na Região do Infravermelho
Os materiais foram analisados por espectroscopia vibracional de absorção na região do infravermelho, utilizando o Espectrômetro FT-IR Frontier da marca Perkin Elmer.com faixa espectral de 4000 a 700 cm-1, resolução de 4 cm-1 e 128 varreduras. A técnica utilizada foi por Reflexão Total Atenuada (ATR).
3.2.3 Microscopia Eletrônica de Transmissão
Para a obtenção de informações sobre o tamanho e a forma das nanopartículas foi utilizada a técnica de microscopia eletrônica de transmissão. As amostras foram dispersas em meio alcoólico. Uma alíquota da amostra foi depositada na tela (grid) de cobre recoberto com filme de carbono de 400 mesh. Após a secagem as amostras foram analisadas no Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET), JEM-2100, Jeol, equipado com EDS, Thermo scientific, operando em 200 kV. Padrões de difração de elétrons de área selecionada (SAED), mostrando a cristalinidade das nanopartículas e a distância entre os planos cristalinos, também foram obtidos junto as imagens de MET.
3.2.4 Espalhamento Dinâmico de Luz (DLS) e Potencial Zeta
O experimento foi realizado utilizando o equipamento Zetasizer Nano ZS. O solvente utilizado para esta caracterização foi o etanol com viscosidade 1,2 cpa e índice de refração de 1,36.
A constante dielétrica foi de 27. Os experimentos DLS foram realizados em temperatura ambiente (25°C) e tomando uma média aritmética de 3 corridas (Zetasizer Nanoseries da Malvern Instruments) e um ângulo fixo de 173° equipado com laser de 50 mW em 533 nm e um correlacionador automático digital.
8 A carga superficial das AgNPs foi determinada por medidas de potencial zeta com o mesmo equipamento das análises de DLS. O experimento foi realizado em temperatura ambiente de 25 ºC e em três repetições separadas.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O parâmetro macroscópico utilizado como referência para a verificação de ocorrência da formação de nanopartículas de prata, foi a visualização de mudança de coloração na solução. A Figura 2 mostra que os coloides de prata obtidos sem a adição de ácido glicólico, apresentaram coloração amarela na amostra, o que é característica da prata coloidal. A coloração apresentada pelas partículas é resultado da absorção da radiação eletromagnética em ressonância com os plasmons de superfície (RAZA et al., 2016) e se dá em um comprimento de onda em torno de 420 nm para partículas com formato esférico (HE et al., 2014).
Com a adição de ácido glicólico e o aumento da concentração deste nas amostras, a coloração amarela característica da suspensão contendo apenas nanopartículas de prata puras, passa para vermelho com a adição de 0,4 mL de GA, preto com a adição de 2,0 mL de GA e, posteriormente, se mantém preto com a adição de 4,0 mL de GA. Kumar et al., (2020) mostra resultados semelhantes em suas sínteses. De acordo com as colorações obtidas, é observado que os
íons Ag+ foram reduzidos a Ag0 em meio alcoolico.
Figura 2: Dispersões coloidais de prata. (A): AgNPs, (B): AgNps com 0,4 mL de GA (1:1); (C) AgNPs com 2,0 mL de GA (1:5); (D) AgNPs com 4,0 mL de GA (1:10).
A B C D
9 He et al. 2014 realizaram sínteses de nanopartículas de prata variando-se o solvente utilizado e foi possível obter soluções de colorações distintas (dependente do solvente) que apresentaram morfologias e tamanhos diferentes. Segundo Lok et al. (2007), uma solução de nanopartículas de prata totalmente livre de aglomerados deve ter uma coloração amarela mais clara.
Para a confirmação da formação dos coloides de prata, a técnica de espectrofotometria de absorção na região do ultravioleta-visível foi utilizada por ser sensível à formação das mesmas. Foi possível notar a presença de bandas de absorções das amostras analisadas nas regiões entre 395 e 420 nm, características de nanopartículas de prata conforme reportado na literatura (LOK et al., 2007; RAZA et al., 2016).
De acordo com a Teoria de Mie, apenas uma banda de superfície simétrica é esperada no espectro de absorção de nanopartículas esféricas, enquanto duas ou mais bandas SPR são esperadas para nanopartículas anisotrópicas, dependendo das formas específicas das partículas. Além disso, a forma simétrica da banda de ressonância de plasmons pode indicar forma e distribuição nítidas de tamanho das partículas (IDER et al., 2017; AMENDOLA; BAKR; STELACCI, 2010). Os resultados encontrados corroboram com os descritos nesta literatura.
Os espectros da Figura 3 exibem um pico de absorção intenso na faixa de 400 nm em função dos plasmons de superfície. A Figura mostra uma banda de ressonância de plasmons de superfície simétrica (SPR) com absorção máxima em torno de 420 nm para a amostra de nanoparículas de prata puras, característica de AgNPs esféricas. Para as amostras em que foram adicionadas o ácido glicólico nas diferentes proporções (1:1; 1:5 e 1:10), os picos de absorção visualizados foram em torno de (395 nm; 415 nm e 420 nm), respectivamente.
As dispersões coloidais das AgNPs sintetizadas exibiram forte absorção de radiação entre os comprimentos de onda de 395 a 420 nm devido às transições s-p (banda de condução) e d-s (interbanda) dos elétrons, respectivamente. As transições s-p dependem da forma e tamanho da partícula. Esta é uma propriedade única das nanopartículas que se deve ao fato de que os elétrons s-p (condução) são amplamente livres para se mover pela partícula e, portanto, suas energias são sensíveis à forma e ao tamanho da caixa que os contém (YESHCHENKO et al., 2012; BARMAN et al., 2015).
10 Os resultados encontrados apontam que com o aumento da concentração de ácido glicólico na síntese, os picos de absorção se mostraram alargados no espectro. De acordo com a literatura, a concentração de partículas de prata está relacionada a intensidades das bandas de absorção, e quanto menor o comprimento de onda, menor o tamanho da nanopartícula (AGNIHOTRI;
MUKHERJI; MUKHERJI, 2014).
Figura 3: Espectro eletrônico de absorção na região do ultravioleta e visível (UV-Vis) das AgNPs.
De acordo com espectros apresentados na Figura 3, é possível verificar que as bandas observadas para os produtos das reações utilizando ácido glicólico, demonstraram-se assimétricas, com bandas de absorção largas no espectro destas amostras. De acordo com Choi et al. (2008), a presença de bandas largas (presença de ombro) no espectro de absorção do UV-Vis indicam uma ampla distribuição de tamanhos ou possível diferença nos formatos das nanopartículas.
11 Nos resultados encontrados podemos observar que a medida que foi adicionado uma concentração maior de GA, as presenças dos alargamentos observadas no UV-Vis e a mudança de coloração das amostras foram mais evidenciadas. Desta forma, o aparecimento dos ombros no espectro pode indicar possível diferença na distribuição de tamanho ou no formato das nanopartículas obtidas com GA em diferentes concentrações. E de acordo com as mudanças nas colorações das sínteses obtidas à medida que se aumentou a concentração de GA, Lok et al. (2007), afirma que soluções de AgNPs totalmente livre de aglomerados, deve ter uma coloração amarela mais clara. Esta coloração somente foi observada nas AgNPs puras. O possível aglomerado foi observado nas AgNPs-Gli na caracterização por MET.
Para a identificação dos grupos funcionais das amostras (Figura 4), foi realizada a espectroscopia de absorção na região do infravermelho (FTIR) por reflectância total atenuada (ATR).
Figura 4: Espectros de infravermelho de nanopartículas de prata (AgNPs), nanopartículas de prata com ácido glicólico (AgNPs-Gli) e de seus precursores.
12 Na Figura 4 têm-se os resultados de FTIR para os sinais característicos dos precursores orgânicos etanol, ácido glicólico e PVP. Para o precursor etanol observa-se estiramento da ligação OH em torno de 3400 cm-1. Em 2970 e 2885 cm-1 tem-se o estiramento da ligação CH com hibridização do tipo sp3. Em 1440 cm-1 tem-se a deformação do grupamento metileno (-CH2-). A região de estiramento do grupamento C O de álcool ocorre entre 1200 1000 cm-1. Bandas fortes nesta região indicam presença da ligação C O de álcool primário. Nesta Figura observa-se a presença desta banda na região em torno de 1050 cm-1 indicando a presença de álcool primário (SONG et al., 2014).
Para o precursor PVP observa-se a banda de absorção localizada em torno de 1644 cm que é atribuída à vibração de estiramento da ligação C=O no grupo pirrolidona. Além disso, os estiramentos do grupamento CH com hibridização sp3 podem ser atribuídos a sinais sobrepostos:
estiramento do grupamento CH2 (cadeia: 2980 cm-1, anel: 2950 cm ) e CH ternário (2850 cm ).
A banda em 1425 cm também corresponde aos modos de deformação CH do grupamento CH2. Além disso, a banda de absorção em 1280 cm está relacionada à vibração de flexão C-N da estrutura da pirrolidona (SAFO, 2019).
As amostras de AgNPs por serem constituídas majoritariamente de álcool apresentam os modos vibracionais características do etanol. Nestas amostras observam-se bandas fortes em torno de 2900 cm-1 característica do estiramento C-H. A presença de uma banda forte na região em torno de 1050 cm-1 é característica de estiramento C-O de álcool primário do etanol. A banda de absorção em 1280 cm está relacionada à vibração de flexão C-N da estrutura da pirrolidona é observada em ambas as amostras analisadas. Este resultado sugere que ocorreu uma interação entre as moléculas de PVP e a superfície das nanopartículas de prata, formando o complexo de coordenação Ag/PVP (SONG et al., 2014; SAFO, 2019).
Observa-se as bandas do ácido glicólico nas amostras obtidas. Os modos vibracionais característicos do ácido glicólico estão localizados em 3260 cm-1 característico da vibração OH, 1730 cm-1 característico da vibração C=O da carbonila, 1230 cm-1 característico da vibração C-O que é indicativo da presença do grupo CH2OH (VERMA et al., 2018).
13 Os deslocamentos dos sinais que ocorrem em torno de 1730 cm-1 foram encontrados para a faixa de vibrações de estiramento da carbonila, indicando o envolvimento dos grupos C=O do polímero na coordenação com o metal. O tipo de coordenação entre o íon metálico e o grupo carboxilato foi determinado a partir da diferença de frequências entre as vibrações de alongamento assimétricas e simétricas do grupo COO (TITKOV et al., 2019). Estes deslocamentos de sinais encontrados na região da carbonila podem confirmar a presença dos ombros ou alargamentos evidenciados no UV-Vis.
A Tabela 1 resume a correlação entre os modos vibracionais e suas respectivas bandas de absorção obtidas nos espectros mostrados na Figura 4.
Tabela 1: Correlação de número de ondas (cm-1) com os modos vibracionais das amostras de AgNPs e seus precursores orgânicos.
Modos vibracionais
Amostras/número de ondas (cm-1)
AgNPs 1:1 1:5 1:10 etanol PVP GA
ass(OH) - - - - 3400 - 3260
ass(CH-sp3) 2950 2950 2950 2950 2970 2950-2980 -
sim(CH-sp3) - - - - 2855 - -
(CH-sp3) - - - - 1440 1425 -
ass(C-O) 1050 1050-1230 1050-1230 1050-1230 1100-1200 1644 1230
ass(C=O) - 1730 1730 1730 - - 1730
ass(C-N) - - - 1280 -
ass(H-C ter) - - - 2850 -
O potencial zeta é um parâmetro importante para avaliar a estabilidade de nanopartículas de prata em suspensões aquosas, pois é uma medida da magnitude da repulsão ou da atração eletrostática ou das cargas entre partículas indicando o estado eletrônico da superfície das mesmas.
Partículas que possuem um grande potencial zeta negativo ou positivo podem repelir uma a outra, e assim, apresentar a estabilidade da suspensão coloidal (SINGH et al., 2018).
-30 mV ou superior à +30 mV estão relacionados à alta estabilidade devido a maior repulsão eletrostática entre as partículas, sendo assim, menor a probabilidade de agregação, floculação ou sedimentação. Estes valores se referem à carga da bicamada elétrica que recobre a partícula (PRATHNA et al., 2011).
14 Regiões próximas a zero indicam condições instáveis em suspensões aquosas. Estas características, tornam a formulação susceptível à agregação enquanto estiver no estado de dispersão coloidal (SILVA, 2017; QUADROS, 2018).
velocidade de formação de agregados. Essa diminuição deve promover a agregação das partículas (SANTOS, 2020).
As nanopartículas sintetizadas nesse trabalho, as quais possuem o etanol anidro como
solvente das sínteses, apresentaram +16,8 mV para as AgNPs
e +12,7 mV, +3,37 mV e +3,04 mV, para AgNPs-Gli (1:1; 1:5 e 1:10) respectivamente. A estabilidade das nanopartículas em suspensões aquosas pode ser avaliada estimando sua propensão para agregar ou interagir com a mídia circundante (SINGH et al., 2018). Os resultados encontrados, portanto, podem talvez sugerir estabilidade coloidal, visto que as mesmas foram preparadas na presença de PVP usado como agente estabilizante, e na presença de etanol, utilizado como solvente.
o que há uma coordenação do átomo de Ag com os átomos de oxigênio presente na molécula de PVP (SANTOS, 2020). Estes valores explicam o fato das nanopartículas permanecerem estáveis por meses, devido à presença de cargas elétricas nas superfícies das partículas para impedir a aglomeração (repulsão eletrostática), o que garante a sua estabilização. Os valores para o potencial zeta das AgNPS obtidas, estão listados na Tabela 2.
Tabela 2: Valores do potencial zeta das AgNPs e AgNPs-Gli.
Amostra
AgNPs +16,8
AgNPs-Gli (1:1) +12,7
AgNPs-Gli (1:5) +3,37
AgNPs-Gli (1:10) +3,04
Para se obter informações sobre o tamanho e a forma das nanopartículas foi utilizada a técnica de microscopia eletrônica de transmissão, onde, um feixe de elétrons atravessa a amostra sofrendo diversos tipos de espalhamento que dependem das características do material. Imagens de campo claro são formadas por elétrons que sofrem pouco desvio, enquanto as de campo escuro são formadas por elétrons difratados pelos planos cristalinos do material.
15 A técnica de espalhamento dinâmico de luz (DLS) permite determinar o diâmetro hidrodinâmico (DH) das partículas em suspensão pelo espalhamento de luz decorrido do movimento Browniano das partículas. Quando uma partícula é dispersa em um meio líquido, forma-se uma camada de solvatação em sua superfície (MUDALIGE et al., 2018). O DH inclui essa camada de solvatação, o que faz com que esse dado possa ser superestimado quando comparado, por exemplo, com técnicas de microscopia que medem o diâmetro das partículas secas (AGNIHOTRI et al., 2014).
No DLS, os valores obtidos do DH foram de 10,1 ± 2,50nm para as AgNPSs e 140 ± 59,7nm; 188 ± 83,2nm e 247 ± 68,1nm, para as AgNPs-Gli (1:1; 1:5 e 1:10), conforme apresentados nas Figuras 5 e 6. Estes resultados sugerem que a adição do GA em suas diferentes concentrações, puderam colaborar para a agregação das NPs de acordo com as imagens obtidas na MET, aumentando também a dimensão destas a medida que se adicionou GA nas reações. A formação dos ombros no espectro na região de carbonila sugerem a mesma agregação. Estes aglomerados podem também estar relacionados com as colorações diferentes das amostras a medida que se adicionou GA. A amostra contendo AgNPs puras foi a única em que se obteve a coloração amarela, indicando uma solução totalmente livre de aglomerados.
As Figuras 5 e 6 mostram ainda as micrografias obtidas por microscopia eletrônica de transmissão, além dos histogramas de distribuição de diâmetro hidrodinâmico obtidos pela técnica de DLS das amostras de AgNPs puras e das nanopartículas sintetizadas na presença de GA (1:1;
1:5 e 1:10), respectivamente. Os materiais apresentam dimensões nanométricas, com diâmetro médio de 8,70nm para as AgNPs e 7,71nm; 8,65nm e 11,5nm para AgNPs-Gli (1:1; 1:5 e 1:10), respectivamente, na microscopia eletrônica de transmissão.
16
Figura 5: Microscopia eletrônica de transmissão (MET) de AgNPs e de AgNPs-Gli (1:1); Histograma de AgNPs e de AgNPs-Gli (1:1); Espalhamento dinâmico de luz (DLS) de AgNPs de AgNPs-Gli (1:1).
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Figura 6: Microscopia eletrônica de transmissão (MET) de AgNPs-Gli (1:5) e AgNPs-Gli (1:10); Histograma de AgNPs-Gli (1:5) e AgNPs-Gli (1:10); Espalhamento dinâmico de luz (DLS) de AgNPs-Gli (1:5) e AgNPs-Gli (1:10).
As síntese das AgNPs na presença de PVP e com a adição de GA resulta em suspensões coloidais aquosas possivelmente estáveis, de nanopartículas de prata, com estreitas distribuições de tamanho (Figuras 5 e 6).
O índice de dispersividade (ID) é uma medida da heterogeneidade de uma amostra com base no tamanho. É
das partículas pelo diâmetro médio das partículas. (CLAYTON et al., 2016). Sendo assim, o valor de ID determina como é a distribuição de partículas em uma amostra. A dispersividade pode ocorrer devido à alta distribuição de tamanho em uma amostra ou aglomeração / agregação da amostra. O ID pode ser obtido de instrumentos que usam espalhamento dinâmico de luz (EDL) ou determinado a partir de micrografias eletrônicas (MUDALIGE et al., 2018).
As organizações internacionais de padronizações (ISOs) estabeleceram que os valores de ID < 0,05 são mais comuns às amostras monodispersas, enquanto valores > 0,7 são comuns a uma
18 ampla distribuição de tamanho de partículas (polidispersas) (ISO 22.412: 2017). Os resultados encontrados de ID se aproximam de amostras monodispersas.
Na Tabela 3 está listada a média do diâmetro, DMET, o desvio padrão, MET e os índices de dispersividade, obtidos por MET e diâmetro hidrodinâmico obtido pelo DLS.
Tabela 3: Valores estatísticos encontrados pelas técnicas de MET e DLS.
Amostra N° de Contagem DMET (nm) MET (nm) ID DHDLS (nm) DLS (nm) ID
AgNPs 250 8,70 1,70 0,03 10,1 2,50 0,06
AgNPs-Gli (1:1) 250 7,71 1,63 0,04 140 59,7 0,18
AgNPs-Gli (1:5) 250 8,65 1,87 0,04 188 83,2 0,19
AgNPs-Gli (1:10) 250 11,5 2,98 0,06 247 68,1 0,07
Agnihotri et al. 2014, discutiram que o tamanho da partícula influencia em suas atividades e em suas funções. Raza et al. 2016, obtiveram amostras de AgNPs que apresentaram forma esférica (15-50 nm) e forma triangular (cerca de 150 nm). Neste trabalho, as nanopartículas sintetizadas sem e com a presença de GA em suas diferentes concentrações, apresentaram diâmetro médio inferior a 15 nm como mostrado na Tabela 3, característico de nanopartículas esféricas conforme descreve a literatura. Íons de prata livres são responsáveis pelo crescimento das partículas e pela formação de novos núcleos. Eles ficam envolvidos por uma capa polimérica preservando as nanopartículas de prata por longos períodos de armazenamento sem coalescer ou precipitar (AGNIHOTRI, et al. 2014; RAZA, et al. 2016).
Os resultados de MET após a adição do ácido glicólico em suas diferentes concentrações, demonstraram o início de possível agregação das nanopartículas, aumentando também a dimensão destas e o formato das mesmas, a medida que a concentração do ácido glicólico foi sendo aumentada. Na Figura 6 é visualizado formatos triangulares na amostra 1:10, característico da formação de ombros vista no UV-Vis.
A Figura 7 mostra que as amostras apresentaram anéis de difrações que são característicos de amostras policristalinas. Os resultados das distâncias entre os planos cristalinos (d-spacing) foram correspondentes aos planos (111), (200), (220) e (311) característico para o elemento Ag como mostrado nas bases de dados de difração JCPDS 04-0783 Figura (6A).
19 Desta forma, as AgNPs obtidas sem e com a adição do GA (6B, 6C, 6D) apresentaram estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC), conforme resultados obtidos pela técnica de difração de elétrons de área selecionada (SAED). A adição de GA não alterou estrutura e cristalinidade das AgNPs.
Figura 7: Dados de difração JCPDS 0407-83 do elemento Ag (A). Difração de elétrons de área selecionada (SAED) das AgNPs (B). SAED das AgNPs-Gli (1:1) (C). SAED das AgNPs-Gli (1:5) (D). SAED das AgNPs-Gli (1:10) (E).
A Tabela 04 apresenta os valores de d-spacing calculados para as amostras obtidas neste estudo.
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Tabela 4: Valores de d-spacing calculados para as nanopartículas de prata sem e com ácido glicólico
Amostra 1/D ou 1/2r (nm-1) 1/r (nm-1) r (nm) d-spacing
(Å) hkl
AgNPs
8 4,198 0,2382 2,382 111
9 4,737 0,2111 2,111 200
14 6,819 0,1467 1,467 220
16 8,111 0,1233 1,233 311
AgNPs-Gli (1:1)
9 4,257 0,2349 2,349 111
10 4,971 0,2011 2,011 200
14 6,931 0,1442 1,442 220
17 8,250 0,1212 1,212 311
AgNPs-Gli (1:5)
9 4,252 0,2351 2,351 111
10 4,968 0,2012 2,012 200
14 6,942 0,1440 1,440 220
16 8,202 0,1219 1,219 311
AgNPs-Gli (1:10)
8 4,239 0,2359 2,3590 111
10 4,911 0,2036 2,0362 200
14 7,046 0,1419 1,4192 220
17 8,276 0,1208 1,2083 311
Mehtab et al., 2018 demonstra para os planos (111), (200), (220) e (311), os seguintes valores de d-spacing: 2,35; 2,04; 1,45 e 1,23, respectivamente. Já Dhand et al., 2016 apresenta os seguintes resultados para os mesmos planos: 2,35; 2,03; 1,44 e 1,23, respectivamente. Desta forma conclui-se que a metodologia utilizada resultou em partículas sem mistura de fases cristalinas, e os resultados apresentados na Tabela 04 estão em concordância com os referidos autores.
21
5
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Através da redução química do AgNO3 utilizando etanol como agente redutor e solvente, PVP como estabilizante e GA como agente redutor, foi possível obter a formação de AgNPs com diferentes concentrações de GA. O diâmetro médio obtido foi de 9,0 nm, para as sínteses sem e com a presença de GA. A morfologia das partículas em todas as sínteses foi predominantemente esférica. As AgNPs-Gli obtidas na concentração 1:10, também apresentaram partículas em formatos triangulares
No DLS foram obtidos valores de 10,1 ± 2,50 nm; 140 ± 59,7nm; 188 ± 83,2nm e 247 ± 68,1nm, para as sínteses realizadas sem e com a presença de ácido glicólico (1:1; 1:5 e 1:10), respectivamente. A adição do GA em suas diferentes concentrações, aumentaram a tendência a agregação das NPs, aumentando também a dimensão destas a medida que a concentração do GA foi sendo aumentada. Na espectroscopia da região do UV-Vis observou-se a formação da banda de plasmons de superfície simétrica em torno de 420nm, confirmando a formação de AgNPs.
Observou-se a formação de ombros nos espectros das reações contendo GA.
As cargas positivas e os valores de potencial zeta encontrados estão na região de instabilidade coloidal para amostras aquosas. Nestas sínteses, o solvente usado foi etanol anidro, sugerindo que as amostras talvez não estejam em instabilidade coloidal. Os compostos foram caracterizados por difração de elétrons de área selecionada e apresentaram anéis de difrações que são característicos de amostras policristalinas. Em todas as sínteses, as AgNPs obtidas apresentaram estrutura cristalina cúbica de face centrada.
As amostras apresentaram os modos vibracionais característicos do etanol, através da técnica da espectroscopia vibracional de absorção na região do infravermelho. A banda característica da estrutura da pirrolidona e de GA foram observadas. Os resultados demonstram que ocorreu interação entre as moléculas de PVP e a superfície das AgNPs, formando o complexo de coordenação Ag/PVP.
Os resultados sugerem que a adição de GA durante a síntese pode possivelmente reduzir a estabilidade coloidal das suspensões de AgNPs neste sistema, conforme observado pela tendência a agregação, ao aumento do tamanho das partículas e ao alargamento das bandas plasmônicas.
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PUBLICAÇÕES
Artigo 1 Influence of glycolic acid in synthesis of silver nanoparticles by alcohol method Autores - Lorena Lisita Inácio Teodoroa, Luciana Rebelo Guilhermea*
Revista: New Journal of Chemistry (Submetido)
23 Artigo 1
Influence of glycolic acid in synthesis of silver nanoparticles by alcohol method
Lorena Lisita Inácio Teodoroa, Luciana Rebelo Guilhermea*
Metal nanoparticles have gained significant scientific interest due to their physicochemical properties, such as high conductivity and catalytic activity, improved optical properties and biocidal activity against pathogenic microorganisms. In particular, silver nanoparticles have potential activity against bacteria, fungi and viruses. In the present study, the objective was to synthesize and characterize silver nanoparticles prepared by the alcoholic method. The method consists of the chemical reduction of silver in an ethanolic medium with the addition of polyvinylpyrrolidone (PVP), with and without the presence of glycolic acid. The reaction system was kept under reflux and under constant stirring for 4 h at 80°C. The samples were characterized regarding their optical, structural, morphological properties and size estimation. Confirmation of the formation of silver nanoparticles was performed using the spectroscopy technique in the UV- Vis region. The formation of the characteristic plasmonic band of AgNPs was observed around 420 nm without and with the presence of glycolic acid, thus confirming the formation of AgNPs. The identification of the functional groups present in the samples was evaluated by the technique of vibrational absorption spectroscopy in the infrared region (FTIR). The AgNPs samples, for being constituted mostly of ethanol, showed the vibrational modes characteristic of ethanol. The nanoparticles showed positive charges and zeta potential values of 16.8 ± 0.485 mV; 12.7 mV; 3.37 mV and 3.04 mV, for AgNPs and AgNPs-Gly (0.4 mL; 2.0 mL and 4.0 mL, respectively, considered as partially stable. Transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS) indicated that the materials presented nanometric dimensions, spherical shape with a mean diameter of 8.70 nm, 7.71 nm, 8.65 nm and 11.5 nm (MET); 10.1 ± 2, 50 nm, 140 ± 59.7 nm, 188 ± 83.2 and 247 ± 68.1 nm (DLS) for the syntheses performed without and with the presence of glycolic acid (0.4 mL; 2.0 mL and 4, 0 mL, respectively. In the results obtained by SAED, the AgNPs presented a face-centered cubic (CFC) crystal structure characteristic of Ag, in which the results are in agreement with the crystallographic sheet JCPDS 04- 0783. It is concluded that the synthesis of AgNPs in the presence of PVP and with the addition of glycolic acid resulted in stable alcoholic colloidal suspensions of spherical silver nanoparticles with narrow size distributions. Larger dimensions of nanoparticles were observed as the concentration of glycolic acid in the reaction was increased.
Introduction
Nanotechnology is considered a scientific and technological revolution based on a systematic organization for the manufacture or manipulation of materials 1, 3. Various products using nanotechnology and nanometer-scale properties are produced, including electronic components 4, 6, sports equipment, paints without health risk, stain resistant fabrics 11.
Metal nanoparticles are one of the most used nanomaterials because they exhibit important physicochemical properties. Among them, high conductivity and catalytic activity, improvement of optical and mechanical properties, and biocidal activity against pathogenic microorganisms stand out 16, 17.
Among the metallic nanoparticles that have received a lot of attention are silver nanoparticles (AgNPs), as they have different physicochemical characteristics, including high thermal and electrical conductivity 3, 2, chemical stability 12, catalyticactivity and antibacterial effect 16. Its bactericidal properties attack the cell wall of bacteria and form reactive oxygen species inside bacterial cells. They promote even greater contact surface with the bacterial cell wall 8, 10, in addition to providing fewer side effects when compared to the no nanometric dimensions of silver, as they require only a small amount of its concentration to achieve a bactericidal effect 11.
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Some synthesis preparations with silver nanoparticles include addition of other substances. Alpha-hydroxy acids (AHA's) are examples of these substances, which are recognized as an adjuvant in several topical therapies, including acne, actinic photodamage, melasma, hyperpigmentation disorders, rosacea, and others 26,25.
The use of glycolic acid in the reduction of Ag+ ions to obtain silver nanoparticles and its concomitant functionalization (AgNPs- Gly) showed considerable antimicrobial activity against gram-positive and gram-negative strains. The antimicrobial properties of AgNPs-Gly can be used effectively to fight antibiotic-resistant pathogens without causing any cellular toxicity 2, 12. The use of silver nanoparticles offers an opportunity to solve a global problem of antibiotic resistance in bacteria. The use of alpha-hydroxy acids in the synthesis of silver nanoparticles, and their effects on the morphology and size of the particles, is little explored and this motivated this research project. In this work, glycolic acid was used as a stabilizing agent, since the effects of this acid in obtaining silver nanoparticles are still poorly explored in the scientific literature. Considering the need to understand these nanoparticles in terms of their physicochemical properties, such as size, morphology, among others, this work proposed to investigate the influence of the presence of glycolic acid on the synthesis of silver nanoparticles.
Experimental
Synthesis of silver nanoparticles
The synthesis of AgNPs was performed using the alcohol reduction method as proposed by Lee and Oh (2015)22. The method consists in the reduction of Ag+ ions in the silver nitrate solution (AgNO3) in which ethanol acts as a solvent and as a reducing agent for the formation of silver particles and polyvinylpyrrolidone (PVP) was used as a stabilizing agent. Glycolic acid (GA) acts as a stabilizing agent in the synthesis of silver nanoparticles.
The AgNO3 salt (AgNO3, 99.9%, Sigma-Aldrich, Brazil, 4.5 mmol) and the PVP polymer (PVP, Mw 10,000, (C6H9NO)n, 99% Sigma- Aldrich, Brazil, 4.5 mmol (number of moles referring to the PVP monomer unit)) were prepared separately by dissolving the respective precursors in 50 mL of anhydrous ethanol. To evaluate the influence of GA (C2H4O3, 57%, supplier, Brazil) in the synthetic process and in the formation of silver particles, (0, 0.4 mL, 2 mL and 4 mL of GA) were added with AgNO3 and PVP solutions and the system was kept at reflux and constant stirring for 4 h at 80°C for all reactions.
Characterization of silver nanoparticles
The optical, structural, chemical and morphological properties of AgNPs were characterized by the following techniques: UV-vis spectroscopy (UV-vis), vibrational absorption spectroscopy in the infrared region (FTIR), dynamic light scattering (DLS), microscopy high-resolution electronics (HRTEM), zeta potential and selected area electron diffraction (SAED).
Spectroscopy in the Ultraviolet/Visible Region: the absorption spectra in the ultraviolet-visible region of the samples were obtained from an alcoholic solution in an Ultraviolet/Visible spectrophotometer model SpectraMax Paradigm Multi-Mode Detection Platform. The typical experiment scanned the wavelength region from 300 nm to 800 nm, using quartz cuvettes 1.0 cm long and 1.0 cm in optical path. Anhydrous ethanol was used as a white solution.
Vibrational Absorption Spectroscopy in the Infrared Region: The materials were analyzed by vibrational absorption spectroscopy in the infrared region, using the FT-IR Spectrometer he technique used was Attenuated Total Reflection (ATR).
Transmission Electron Microscopy: to acquire information about the size and shape of the nanoparticles, the transmission electron microscopy technique was used. The samples were dispersed in an alcoholic medium. An aliquot of the sample was deposited on a 400 mesh carbon coated copper grid. After drying, the samples were analyzed in a Transmission Electron Microscope (TEM), JEM-2100, Jeol, equipped with EDS, Thermo scientific, operating at 200 kV.
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Dynamic Light Scattering (DLS) and Zeta Potential: the experiment was performed using the Zetasizer Nano ZS equipment. The solvent used for this characterization was ethanol with a viscosity of 1.2 cpa and a refractive index of 1.36. The dielectric constant was 27. The DLS experiments were performed at room temperature (25°C) and taking an arithmetic mean of 3 runs (Zetasizer Nanoseries from Malvern Instruments) and a fixed angle of 173° equipped with a 50 mW 533 nm laser. and an automatic digital correlator. The surface charge of AgNPs was determined by zeta potential measurements with the same equipment. The experiment was carried out at an ambient temperature of 25ºC and in three separate replications.
Results and discussion Synthesis of silver nanoparticles
The macroscopic parameter used as a reference to verify the occurrence of the formation of silver nanoparticles is the visualization of the yellow color in the solution. The Figure 01 shows the silver colloids obtained without and with the addition of glycolic acid in its different concentrations.
Figure 01: Colloidal silver dispersions. A: Silver nanoparticles. B: silver nanoparticles with glycolic acid (1:1); C: silver nanoparticles with glycolic acid (1:5)
D: silver nanoparticles with glycolic acid (1:10)
The characteristic yellow color observed in colloidal silver is a result of the absorption of electromagnetic radiation in resonance with surface plasmons 37, 35. This absorption occurs at a wavelength around 420 nm for spherically shaped particles. With the increase in silver particles, the characteristic yellow color of the suspension changes to orange and, later, to violet until reaching the characteristic color of silver on a macroscopic scale.
Ultraviolet-Visible spectroscopy
To confirm the formation of silver colloids, the UV-Vis absorption spectrophotometry technique has been used because it is sensitive to their formation. Silver nanoparticles exhibit an intense absorption peak as a function of surface plasmons. Figure 02 shows the UV-Vis spectra of silver colloids in the range 300 nm - 800 nm.
A B C D
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Figure 02: Electronic absorption spectrum in the ultraviolet and visible (UV-Vis) region of AgNPs.
Figure 02 shows a symmetric surface plasmon resonance (SPR) band with maximum absorption at 420 nm characteristic of spherical AgNPs. This result shows that Ag+ ions were reduced to Ag0 in ethanolic medium. According to Mie Theory, only one symmetrical surface band is expected in the absorption spectrum of spherical nanoparticles, while two or more SPR bands are expected for anisotropic nanoparticles, depending on the specific shapes of the particles. In addition, the symmetrical shape of the plasmon resonance band may indicate sharp particle shape and size distribution 24, 29.
The results found corroborate those described in this literature. The solution of the synthesized AgNPs exhibited strong absorption of radiation between the wavelengths from 410 to 450 nm due to the s-p (conduction band) and d-s (interband) transitions of electrons, respectively. The s-p transitions depend on the shape and size of the particle. This is a unique property of nanoparticles which is due to the fact that the s-p (conduction) electrons are largely free to move through the particle and therefore their energies are sensitive to the shape and size of the box that contains them38,21.
Through absorption spectroscopy in the ultraviolet and visible region, it was possible to notice the presence of absorption bands of the analyzed samples in the characteristic regions of silver nanoparticles, as reported in the literature 37, 40. The concentration of silver particles is related to the intensities of the absorption bands, and the shorter the wavelength, the smaller the size of the nanoparticle 33, 31.
Vibrational Absorption Spectroscopy in the Infrared Region
Infrared region absorption spectroscopy (FTIR) is a qualitative analysis technique that is widely used for the identification of compounds for the identification of functional groups. Figure 03 shows the FTIR spectra of organic precursors and AgNPs.
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Figure 03: Infrared spectra of silver nanoparticles (AgNPs), silver nanoparticles with glycolic acid (AgNPs-Gly) and its precursors
Infrared shows the movement of chemical bonds in molecules, shows deformation, stretching, as well as rotation of bonds. As atoms move, they bend and deform. When this happens at the same time with all components of the sample, it can be more difficult to visualize the overlaps.
Figure 03 shows characteristic bands for the organic precursors ethanol and PVP. In the ethanol precursor, stretching of the OH bond is observed around 3400 cm-1. At 2970 and 2885 cm-1, the CH bond is stretched with sp3 hybridization. At 1440 cm-1 there is a deformation of the methylene group (-CH2-). The stretch region of the C O alcohol group occurs between 1200 1000 cm-1. Strong bands in this region indicate the presence of the primary alcohol C O bond. This Figure shows the presence of this band in the region around 1050 cm-124, 15.
In the PVP precursor, the absorption band located around 1644 cm-1 is observed, which is attributed to the stretching vibration of the C=O bond in the pyrrolidone group. Furthermore, the stretches of the CH group with sp3 hybridization can be attributed to overlapping signals: CH2 group stretch (chain: 2980 cm-1, ring: 2950 cm-1) and ternary CH (2850 cm-1). The band at 1425 cm-1 also corresponds to the CH deformation modes of the CH2 cluster. Furthermore, the absorption band at 1280 cm-1 is related to the C- N bending vibration of the pyrrolidone structure 8.
The AgNPs samples, for being constituted mostly of alcohol, present the vibrational modes characteristic of ethanol. In these samples, strong bands around 2900 cm-1 are observed, characteristic of the C-H stretch. The presence of a strong band in the region around 1050 cm-1 is characteristic of C-O stretching of primary alcohol from ethanol. The absorption band at 1280 cm-1 is related to the C-N bending vibration of the pyrrolidone structure and is observed in both analyzed samples. This result suggests that an interaction occurred between the PVP molecules and the surface of the silver nanoparticles, forming the Ag/PVP coordination complex 31,8.
Glycolic acid bands are observed in the samples obtained. The characteristic vibrational modes of glycolic acid are located at 3260 cm-1 characteristic of the OH vibration, 1730 cm-1 characteristic of the C=O vibration of the carbonyl, 1230 cm-1 characteristic of the C-O vibration which is indicative of the presence of the CH2OH group (VERMA et al., 2018). Table 01 summarizes the correlation between the vibrational modes and their respective absorption bands obtained in the spectra shown in Figure 03.
Table 01: Correlation of the wavenumber (cm-1) with the vibrational modes of samples of AgNPs and their organic precursors.
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Wavenumber / (cm-1) Vibrational modes Ethanol
3400 Asymmetric stretching of O-H
2970 Asymmetric stretching of C-H (sp3)
2855 Asymmetric stretching of H-C (sp3)
1440 Deformation of H-C (sp3) 1100-1200 Asymmetric stretching of C-O
PVP
2980 Asymmetric stretching of C-H (sp3)
2950 Asymmetric stretching of C-H (sp3)
2850 Asymmetric stretching of H-C ternário
1644 Asymmetric stretching C=O
1425 Deformation of H-C (sp3) 1280 Asymmetric stretching of C-N
AgNPs
2950 Asymmetric stretching of H-C of PVP
1050 Asymmetric stretching of C-O Glycolic acid
3260 Vibration OH
1730 Vibration C=O of carbonyl 1230 Vibration C-O
Zeta-potential measurement
it is a measure of the magnitude of repulsion or electrostatic attraction or charges between particles indicating the electronic state of the surface of the same. Particles that have a large negative or positive zeta potential can repel each other, and thus, exhibit the stability of the colloidal suspension 23
.
values lower than -30 mV or higher than +30 mV are related to high stability, while regions close to zero indicate unstable conditions 29. These characteristics make the formulation susceptible to aggregation while in the colloidal dispersion state 33. The
